外源磷酸酸催化热处理木材：提升热化学改性效率与阻燃性能的协同机制研究

针对传统热处理(CHT)木材能耗高、阻燃性差的问题，本研究创新性地采用外源磷酸酸催化热处理(AHT)技术，系统探究了酸浓度(0.01-0.5 mol/L)、温度(120-180℃)和时间(1-2 h)对杨木性能的影响。研究发现AHT0.5-180-1组在缩短50%处理时间下，质量损失达CHT180-2的9倍，极限氧指数(LOI)提升31.6%，总热释放(THR)降低35.57%，证实了酸催化在提升木材改性效率和阻燃性能方面的双重优势。

　　

木材作为重要的可再生建筑材料，其易燃性和尺寸稳定性问题长期制约着应用发展。传统热处理(CHT)虽能改善木材性能，但存在能耗高、处理温度需达200℃以上且阻燃性提升有限等瓶颈。更棘手的是，高温处理会显著降低木材的机械强度，形成"改性效果与力学性能"难以调和的矛盾。这些痛点催生了学术界对新型改性技术的探索，其中酸催化热处理(AHT)因其潜在的高效性和阻燃改良特性备受关注。

安徽农业大学林草品质提升与高效利用国家林业和草原局重点实验室的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表了创新性研究。他们采用外源磷酸酸预处理结合梯度温度热处理的策略，通过系统调控酸浓度(0.01-0.5 mol/L)、温度(120-180℃)和时间(1-2 h)参数，构建了18种处理组合。研究综合运用X射线衍射(XRD)分析结晶度变化，热重-红外联用(TG-IR)追踪热解气体产物，锥形量热仪评估燃烧性能，并结合力学测试建立了工艺-结构-性能的关联机制。

材料与方法

研究选取无缺陷杨树木材，经真空浸渍磷酸酸溶液后分阶段热处理。通过测定平衡含水率(EMC)、结晶度指数(CI_XRD)和力学性能(MOR/MOE)评估物理特性；采用极限氧指数(LOI)和锥形量热测试(ISO 5660-2标准)分析阻燃性能；借助TG-IR联用技术解析热解过程的气体释放规律；通过测定还原糖含量验证酸催化降解效应。

物理和机械性能

研究发现AHT处理使木材EMC降低7.28-18.30%，结晶度提升1.5-7.3个百分点。在0.05 mol/L酸浓度下，AHT_0.05-180-1组的弯曲强度(MOR)保持Ctrl组的89.5%，而0.5 mol/L处理的AHT_0.5-180-1组MOR骤降至50.1%。球压痕硬度测试显示所有处理组与对照无显著差异，但0.5 mol/L酸浓度会使Shore硬度下降14.1%。研究表明影响机械性能的主次因素为：酸浓度 > 温度 > 时间。

阻燃与热稳定性

AHT_0.5-180-1组展现出卓越阻燃性：LOI达24.6%，残炭量提升320%，热释放率(HRR)和火灾增长指数(FGI)分别降低35.55%和56.76%。TG分析显示酸处理使木材初始分解温度从200℃降至120℃，DTG曲线肩峰从300℃前移至225-290℃，证实酸催化加速了半纤维素降解。值得注意的是，0.05 mol/L处理的AHT_0.05-180-1在保持力学性能同时，总烟雾产生量(TSP)比CHT_180-2降低35.8%。

热化学演化机制

TG-IR三维谱图显示AT_0.5木材在200℃出现1063 cm^-1的P-O特征峰。气体产物分析表明酸处理使CO₂和烃类释放峰左移，0.5 mol/L组峰值强度降低50%以上。还原糖测定证实酸催化使糖类产率在150℃处理40分钟时达峰值，为Ctrl组的2.3倍。这些结果揭示了磷酸酸在120-180℃促进降解、在285-325℃催化碳化的双重作用机制。

该研究创新性地建立了"酸催化-热改性-阻燃增强"的协同作用模型。相比传统方法，AHT技术在180℃处理1小时即可达到更优的阻燃效果，且能耗降低50%。特别值得注意的是，0.05 mol/L的温和条件能在保持90%以上机械强度同时，实现烟雾减排35%以上的突破。研究为开发高效、低耗的木材改性工艺提供了重要理论支撑，对推动绿色建筑材料的产业化应用具有显著价值。未来研究可进一步优化酸注入工艺，探索在生材阶段直接处理的可行性，以进一步降低能耗和生产成本。